一種n位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括N?1對二進(jìn)制電容，其中，在采樣階段，兩個(gè)電容陣列的上極板通過采樣電路對輸入信號(hào)進(jìn)行采樣；在第一次比較階段，電容陣列的上極板斷開與差分輸入信號(hào)的連接，比較器對兩個(gè)差分輸入信號(hào)進(jìn)行第一次比較，并且對應(yīng)改變電容下極板電位的接法；在后續(xù)比較階段，兩個(gè)差分輸入信號(hào)再次進(jìn)行比較，并改變電容陣列的接法，直到最后一次比較完成。本發(fā)明的有益之處在于：電容陣列所消耗的面積得到極大的減小，同時(shí)，轉(zhuǎn)換過程中的功耗也得到了優(yōu)化。
【專利說明】
-種N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體設(shè)及一種N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，屬 于電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為連接模擬系統(tǒng)和數(shù)字處理系統(tǒng)的橋梁，其低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重 要。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器由于其結(jié)構(gòu)簡單、面積小、功耗利用率高而廣泛應(yīng)用于各種低功 耗限能系統(tǒng)中。
[0003] 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要由D/A轉(zhuǎn)換器、比較器W及數(shù)字邏輯組成，其中，D/A轉(zhuǎn) 換器一般采用電容式結(jié)構(gòu)。D/A轉(zhuǎn)換器中單位電容取值主要受工藝的影響，單位電容越大， 轉(zhuǎn)換過程中所消耗的能量就越大，整體功耗也會(huì)越大。
[0004] 圖1是傳統(tǒng)的Ξ位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)過程的示意圖。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 最高位電容大小為4C，最低位大小為C。若為N(N>3)位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其電容所包 括的單位電容的個(gè)數(shù)比例為2^-1: : ·，·4 : 2 : 1 : 1。Vip及Vin代表差分輸入信號(hào)，Vref代表高電 平電壓，V?代表共模電壓，GND代表低電平電壓，且Vref與V?滿足W下公式:V? = Vref/2。
[0005] 采樣階段:所有電容的上極板均接共模電壓V。。，與比較器正向輸入端的第一電容 陣列下極板接Vin，與比較器負(fù)向輸入端的第二電容陣列下極板接Vip。采樣結(jié)束后，斷開電 容陣列上極板與共模電壓V?的連接，第一電容陣列的最高位電容接Vref，其他位接GND，第二 電容陣列的最高位電容接GND，其他位接Vref。
[0006] 比較階段:第一次比較過程中，如果差分輸入信號(hào)Vin大于差分輸入信號(hào)Vip，則模 數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出碼為"Γ，同時(shí)電容的接法保持不變;反之如果差分輸入信號(hào)Vin小于差 分輸入信號(hào)Vip，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出碼為"0"，第一電容陣列的最高位電容由Vref切換 至化ND，第二電容陣列的最高位電容由GND切換到Vref。接著，第一電容陣列的次高位電容由 GND切換到Vref，第二電容陣列的次高位電容由Vref切換到GND，進(jìn)行第二次比較，并根據(jù)比較 結(jié)果確定相應(yīng)的電容是保持不變還是切換連接低電平電壓GND或高電平電壓Vref，直到LSB 確定。其中，第一電容陣列中的電容下極板接法和第二電容陣列中電容下極板接法完全相 反，即若第一電容陣列中的電容接Vref，則第二電容陣列相對應(yīng)的電容接GND，若第一電容陣 列中的電容接GND，則第二電容陣列相對應(yīng)的電容接Vref。
[0007] 圖1中也示意了每步轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)消耗的能量。采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和開關(guān)時(shí)序的模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，其完成轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的功耗可W表示為：
[000引
[0009] 其中，N為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，C為D/A轉(zhuǎn)換器的單位電容值，Vref模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源 電壓高電平。
[0010] 圖2是圖1中的Ξ位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時(shí)序控制的逐次逼近波形圖。
[0011] 由圖2可知，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)開關(guān)時(shí)序存在的問題是:需要較多的電容，產(chǎn)生較大功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種N位低功耗逐次逼近型模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，其不僅能夠避免較大的電容面積，而且能夠減小開關(guān)過程中產(chǎn)生的功耗。
[OOU]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0014] -種N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括N-1對二進(jìn)制電容，前述3，其特征 在于，
[0015] ( -）、在采樣階段：
[0016] 第一電容陣列的最高位電容的下極板和第二電容陣列的最高位電容的下極板均 接Vref，其他位電容的下極板全部接GND，第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板 分別接比較器的正端和負(fù)端，同時(shí)，第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板分別 通過兩個(gè)自舉開關(guān)對兩個(gè)差分輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后，自舉開關(guān)斷開，電荷保持； [0017] 仁）、在初次比較階段：
[0018] 自舉開關(guān)斷開后，比較器正負(fù)輸入端的輸入信號(hào)進(jìn)行比較：
[0019] (1)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容 的下極板由接Vref切換到接V。。，其他位電容保持不變，第二電容陣列的最高位電容保持不 變，其他位電容由接GND切換到接V?;
[0020] (2)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容 保持不變，其他位電容由接GND切換到接V?，第二電容陣列最高位電容的下極板由接Vref切 換到接V?，其他位電容保持不變；
[0021] (Ξ)、在第二次比較階段：
[0022] (1)如果在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)，那么在第二 次比較時(shí)：
[0023] (i)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容 的下極板由接V?切換到接GND，其他位電容保持不變，第二電容陣列的電容保持不變；
[0024] (ii)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的電容保持不 變，第二電容陣列的最高位電容的下極板由接Vref切換到接V?，其他位電容保持不變；
[0025] (2)如果在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)，那么在第二 次比較時(shí)：
[0026] (i)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容 的下極板由接Vref切換到接V?，其他位電容保持不變，第二電容陣列的電容保持不變；
[0027] (ii)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的電容保持不 變，第二電容陣列的最高位電容的下極板由接V?切換到接GND，其他位電容保持不變；
[00%](四）、在后續(xù)比較階段：
[0029] (1)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的電容保持不 變，第二電容陣列的對應(yīng)位的上一位在原電位基礎(chǔ)上加上一個(gè)Vcm;
[0030] (2)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的對應(yīng)位的上 一位在原電位的基礎(chǔ)上加上一個(gè)V?，第二電容陣列的電容保持不變，直到最后一位電容比 較完成。
[0031] 前述的N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，前述共模電壓Vcm與高電平 電壓Vref二者之間滿足W下公式：
[0032] Vcm = Vref/2。
[0033] 本發(fā)明的有益之處在于：因?yàn)樵谀?shù)轉(zhuǎn)換的過程中，ADC在第二個(gè)比較周期內(nèi)不僅 不消耗任何能量，反而產(chǎn)生負(fù)能量，所W電容陣列所消耗的面積得到極大的減小，同時(shí)，轉(zhuǎn) 換過程中的功耗也得到了優(yōu)化。
【附圖說明】
[0034] 圖1是傳統(tǒng)的Ξ位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)過程的示意圖；
[0035] 圖2是圖1中的Ξ位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時(shí)序控制的逐次逼近波形圖；
[0036] 圖3(a)至圖3(e)是本發(fā)明的N位逐次逼進(jìn)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)過程的示意圖（N = 4);
[0037] 圖4是采用圖3(a)至3(e)中示意的開關(guān)時(shí)序控制的N位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的逐次逼近波 形圖（N=4);
[0038] 圖5是采用圖3(a)至3(e)中示意的開關(guān)時(shí)序控制的10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在 轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)功耗隨輸出碼變化的Matlab仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0040] W四位模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，參照圖3(a)至3(e)，該四位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成之一--D/A 轉(zhuǎn)換器包括兩組二進(jìn)制電容，其中，電容C1、電容C2和電容C3為一組，記為第一電容陣列，該 Ξ個(gè)電容的大小依次為4C、2C、C，電容C4電容巧和電容C6為另外一組，記為第二電容陣列， 該Ξ個(gè)電容的大小依次為此、2(：、(：，其中(：為單位電容大小。
[0041 ]此外，Vip及Vin代表差分輸入信號(hào)，Vref代表高電平電壓，V?代表共模電壓，GND代表 低電平電壓，且Vref與Vcm滿足W下公式:Vcm=Vref/2。
[0042] -、在采樣階段
[0043] 第一電容陣列的最高位電容C1的下極板和第二電容陣列的最高位電容C4的下極 板均接Vref，其他位電容的下極板全部接GND，第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上 極板分別接比較器的正端和負(fù)端，同時(shí)，第一電容陣列的上極板通過一個(gè)自舉開關(guān)對差分 輸入信號(hào)Vip進(jìn)行采樣，第二電容陣列的上極板通過另一個(gè)自舉開關(guān)對差分輸入信號(hào)Vin進(jìn) 行采樣，從而采樣階段比較器兩輸入端的電壓分別為Vip、Vin。
[0044] 采樣結(jié)束后，自舉開關(guān)斷開，電荷保持，即電容C1-C4的上極板斷開與輸入信號(hào)Vip、 Vin的連接，開始第一次比較
[0045] 二、在初次比較階段
[0046] 1、正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)
[0047] 如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip大于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則比較器輸出的數(shù)字碼為"Γ，此時(shí)：
[0048] 第一電容陣列的最高位電容的下極板由接Vref切換到接V?，其他位電容保持不變， 即電容C1的下極板由接Vref切換到接V?，電容C2和電容C3保持不變，此時(shí)，電容C1的上極板 電壓向下平移〇.25Vref ;
[0049] 第二電容陣列的最高位電容保持不變，其他位電容由接GND切換到接V?，即電容C4 保持不變，電容巧和電容C6的下極板由接GND切換到接Vcm，此時(shí)，電容巧和電容C6的上極板 電壓向上平移〇.25Vref。
[0050] 2、正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)
[0051] 如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip小于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則比較器輸出的數(shù)字碼為"0"，此時(shí)：
[0052] 第一電容陣列的最高位電容保持不變，其他位電容由接GND切換到接V?，即電容C1 保持不變，電容C2和電容C3的下極板由接GND切換到接V?，此時(shí)，電容C2和電容C3的上極板 電壓向上平移〇.25Vref;
[0053] 第二電容陣列最高位電容的下極板由接Vref切換到接V?，其他位電容保持不變，即 電容C4的下極板由接Vref切換到接V?，電容巧和電容C6保持不變，此時(shí)，電容C4的上極板電 壓向下平移〇.25Vref。
[0054] 最高位確定后，開始第二次比較。
[0化日]=、在第二次比較階段
[0056] 1、在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)
[0057] 如果在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)，那么在第二次 比較時(shí)：
[0058] (1)如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip大于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則：
[0059 ]第一電容陣列的最高位電容的下極板由接V?切換到接GND，其他位電容保持不變， 即電容C1的下極板由接V?切換到接GND，電容C2和電容C3保持不變；
[0060] 第二電容陣列的電容保持不變。
[0061] (2)如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip小于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則：
[0062] 第一電容陣列的電容保持不變；
[0063] 第二電容陣列的最高位電容的下極板由接Vref切換到接V?，其他位電容保持不變， 即電容C4的下極板由接Vref切換到接V?，電容巧和電容C6保持不變。
[0064] 2、在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)
[0065] 如果在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)，那么在第二次 比較時(shí)：
[0066] (1)如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip大于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則：
[0067] 第一電容陣列的最高位電容的下極板由接Vref切換到接V?，其他位電容保持不變， 即電容C1的下極板由接Vref切換到接V?，電容C2和電容C3保持不變；
[006引第二電容陣列的電容保持不變。
[0069] (2)如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip小于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則：
[0070] 第一電容陣列的電容保持不變；
[0071 ]第二電容陣列的最高位電容的下極板由接V?切換到接GND，其他位電容保持不變， 即電容C4的下極板由接V?切換到接GND，電容巧和電容C6保持不變。
[0072] 四、在后續(xù)比較階段
[0073] 在第N次比較中：
[0074] 1、如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip大于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則：
[0075] 第一電容陣列的電容保持不變，即電容C1、電容C2和電容C3都保持不變；
[0076] 第二電容陣列的對應(yīng)位的上一位（即第N-1位)在原電位基礎(chǔ)上加上一個(gè)VcM，即電 容巧由接V?切換到接Vref。
[0077] 2、如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip小于負(fù)向輸入端的差分輸入信號(hào) Vin，則：
[007引第一電容陣列的對應(yīng)位的上一位（即第N-1位)在原電位的基礎(chǔ)上加上一個(gè)V?，即 電容C2由接GND切換到接V?;
[0079] 第二電容陣列的電容保持不變，即電容C4、電容巧和電容C6都保持不變。
[0080] 最后確定最低位，如果比較器的正向輸入端的差分輸入信號(hào)Vip大于負(fù)向輸入端的 差分輸入信號(hào)Vin，則比較器輸出數(shù)字碼為"Γ，反之為"0"。比較輸出后不存在開關(guān)動(dòng)作，故 運(yùn)個(gè)過程不產(chǎn)生開關(guān)功耗。
[0081] 圖4是采用圖3(a)至3(e)中示意的開關(guān)時(shí)序控制的N位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的逐次逼近波 形圖（N=4)。
[0082] 圖5是采用圖3(a)至3(e)中示意的開關(guān)時(shí)序控制的10位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在 轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)功耗隨輸出碼變化的Matlab仿真圖。
[0083] 由圖4和圖5我們可知，本發(fā)明的N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn) 換的過程中，不僅僅開關(guān)功耗低，而且輸入共模電平基本保持穩(wěn)定，為SAR ADC在保證低功 耗的同時(shí)，能夠擁有良好的線性度。
[0084] 需要說明的是，上述實(shí)施例不W任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變 換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括N-1對二進(jìn)制電容，所述N多3，其特征在 于， (一） 、在米樣階段： 第一電容陣列的最高位電容的下極板和第二電容陣列的最高位電容的下極板均接 Vref，其他位電容的下極板全部接GND，第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板分 別接比較器的正端和負(fù)端，同時(shí)，第一電容陣列的上極板和第二電容陣列的上極板分別通 過兩個(gè)自舉開關(guān)對兩個(gè)差分輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后，自舉開關(guān)斷開，電荷保持； (二） 、在初次比較階段： 自舉開關(guān)斷開后，比較器正負(fù)輸入端的輸入信號(hào)進(jìn)行比較： (1) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容的下 極板由接Vrrf切換到接V?，其他位電容保持不變，第二電容陣列的最高位電容保持不變，其 他位電容由接GND切換到接V?; (2) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容保持 不變，其他位電容由接GND切換到接V?，第二電容陣列最高位電容的下極板由接V rrf切換到 接V?，其他位電容保持不變； (三） 、在第二次比較階段： (1)如果在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)，那么在第二次比 較時(shí)： (1) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容的下 極板由接V?切換到接GND，其他位電容保持不變，第二電容陣列的電容保持不變； (ii)當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的電容保持不變， 第二電容陣列的最高位電容的下極板由接Vrrf切換到接V?，其他位電容保持不變； (2) 如果在初次比較階段，正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)，那么在第二次比 較時(shí)： (i) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的最高位電容的下 極板由接Vrrf切換到接V?，其他位電容保持不變，第二電容陣列的電容保持不變； (ii) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的電容保持不變， 第二電容陣列的最高位電容的下極板由接V?切換到接GND，其他位電容保持不變； (四） 、在后續(xù)比較階段： (1) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)大于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的電容保持不變，第 二電容陣列的對應(yīng)位的上一位在原電位基礎(chǔ)上加上一個(gè)V?; (2) 當(dāng)正向輸入端的信號(hào)小于負(fù)向輸入端的信號(hào)時(shí)，第一電容陣列的對應(yīng)位的上一位 在原電位的基礎(chǔ)上加上一個(gè)V?，第二電容陣列的電容保持不變，直到最后一位電容比較完 成。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N位低功耗逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述共模電 壓V?與高電平電壓Vrrf二者之間滿足以下公式： Vcm=Vref/2〇
【文檔編號(hào)】H03M1/00GK106059589SQ201610355305
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】丁瑞雪, 吳青龍, 梁宇華
【申請人】西安電子科技大學(xué)昆山創(chuàng)新研究院, 西安電子科技大學(xué)